诺贝尔化学奖刚刚表彰了你真正关心的东西——手机电池

您的数字生活大部分（如果不是全部的话）都归功于锂离子电池。它们为您的智能手机、笔记本电脑供电——除了汽车电池外，几乎所有可充电设备都由锂电池供电。这要感谢三位新晋诺贝尔奖得主。约翰·B·古迪纳夫、M·斯坦利·惠廷汉姆和吉野彰今天共同获得诺贝尔化学奖，以表彰他们对锂离子电池发明的贡献。每个人都在前人工作的基础上不断改进，使这项技术越来越好。

“我们认为它就像手机或混合动力汽车，但它对那些无法使用电力的人也有影响，”美国化学学会会长邦妮·夏彭蒂尔说。“我刚从博茨瓦纳旅行回来，在那里我身处丛林，没有现代便利设施，但我们的导游有一部手机和一块太阳能电池板。”

但尽管锂离子电池无处不在，我们中却很少有人真正了解它们为何如此有效。请花几分钟时间与我们一起探讨：

电池的核心非常简单。它们有两个带电端，称为电极，它们是分开的，所以不能直接接触。电子从带负电的一侧移动到带正电的一侧——正是这种运动产生了电能。你可以用很多东西来制作电池（包括你可能在学校学到的土豆），但要制作出真正有效的电池，你需要一定的规格。首先，你希望它有足够的电子可以释放，理想情况下它也要轻巧——如果一部手机重 5 磅，那么 12 小时的电池续航时间就不值一提了。锂非常喜欢释放电子，而且作为最轻的金属之一，你可以把它装进一个小容器里，让它的能量密度非常高。另外，你可以给它充电。

纽约宾汉普顿大学的 M. Stanley Whittingham 发现了一种制造电池的方法，将锂放在带正电的一端，将硫化钛放在另一端，但他的发明存在一个问题。当他给电池充电时，锂金属并没有均匀地沉积在电极上。相反，它积聚在被称为树枝状晶体的小尖刺中，当这些树枝状晶体长到足够大以刺穿隔离材料并到达另一侧的电极时，电池就会短路，并可能着火。

事实证明，解决方案是不使用锂金属，而是使用夹在其他金属层之间的锂离子。本质上，离子可以与某些金属晶体结构内的点结合，将它们储存在一个整齐的结构中。锂离子从正极移动到负极以释放能量，然后再返回以恢复其电势。

但事实证明，有些材料比其他材料更能储存锂离子。德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·B·古迪纳夫发明了一种新的、更好的材料：氧化钴。他的电池电压是惠廷汉姆电池的两倍。

这一进步使正极效率大大提高，但负极方面仍有改进空间。日本名城大学的吉野彰 (Akira Yoshino) 对电池进行了最后一步改进。他发现石油工业产生的含碳副产品石油焦作为负极效果非常好，制成的电池比以前的电池安全得多。锂是一种反应性极强的元素，因此早期用锂制成的电池在压力下可能会起火或爆炸。吉野的电池即使被一块巨大的铁砸也不会发生任何可怕的事情，这使得它适合用于消费品。（你能想象你的手机每次掉落都有爆炸的危险吗？）

1991 年，第一批锂离子电池在日本投入使用，此后基本保持不变。现在大多数正极都是磷酸铁而不是氧化钴，以帮助它们更加环保，但负极仍然是碳基的。全球研究人员都在不断寻找新的、更好的材料来制造能量密度更高的电池，但到目前为止，锂是明显的领先者。

看到研究人员在彼此研究的基础上不断改进，最终取得如此显著的成功，真是罕见而又令人欣慰。诺贝尔奖常常被批评为延续了孤独的天才取得科学突破的神话，而现实是，最重要的研究是多年反复试验的结果，也是许多人共同努力的结果。该奖项还远不能代表它声称要认可的领域，特别是在奖励有色人种和女性的工作方面。但至少今年，委员会在某种程度上强调了科学是迭代的。“它展示了跨代、跨行业和学术界合作的力量，”夏庞蒂尔说。“魔鬼总是藏在细节​​中，这三位获奖者的工作、耐心和洞察力令人惊叹。”